热水器水温控制器设计

广东理工学院电气工程系 宫占霞 焦根平

热水器水温控制器设计

广东理工学院电气工程系 宫占霞 焦根平

本文针对热水器水温的控制进行研究。首先给出PID控制系统原理图，对单片机的选型进行简单介绍，然后介绍本系统的硬件结构。整个系统通过使用PID控制算法与单片机以及其它模块的结合，设计控制电路，完成对水温的实时控制。

单片机；PID控制；控制电路

0 引言

在快节奏的现代生活，家用电器成为了人们每天生活中的必需品，这些电器包括电视机、冰箱、洗衣机等等，渐渐的，热水器已普遍进入百姓家中。热水器一般可以分为燃气热水器、电热水器和太阳能热水器。本文研究的产品对象仅仅是家用燃气热水器。在现有热水器的水温控制中，一般都是采用出水口瞬时加热或者整体加热后以容器保温为主，本文设计的系统将实现实时水温的控制。

1 控制系统

1.1 PID控制

控制通常被应用于温度控制系统中，系统原理图如图1所示。被控对象与模拟控制器共同组成此系统。[1]

图1 控制系统原理框图

1.2 单片机

控制是通过单片机来实现的，下面介绍下单片机的选型。

系列单片机被誉为“控制领域的最佳位机”,目前在我国广泛使用此系列单片机都有位、若干个并行接口、位定时器、计数器、容量有限的以及中断处理功能，功能强大，价格低廉，适合单片机自动喷灌系统使用[2]。系列单片机虽由多家公司生产，可芯片的引脚及指令系统都是兼容的，即不管以哪家公司生产的芯片进行设计的，换成其他公司的同类芯片也可正常使用。本课题用进行设计，具体使用时可根据市场行情选择其他公司生产的系列单片机。

2 控制系统的硬件设计

2.1 温度测量电路的设计

使用温度传感器将测量的变化的温度转换为变换的电信号。使用最广泛的温度传感器有热电偶、集成温度传感器、热电阻等等。因为热电偶具有应用范围广，结构简单，工艺简单等优点，本设计使用热电偶来将变化的温度转换为变换的电信号。

2.2 转换电路的设计

在以单片机为核心的温度控制系统中，被测对象的有关参量是连续变化的模拟量，而单片机只能处理数字量。要实现对模拟量得测量和控制，必须将模拟量转换为数字量以后再传输给计算机处理。是一种位逐次逼近式转换器，它由通道模拟开关和转换两部分组成，其转换时间大约为，转换精度为，足以满足各方面的精度要求[3]，所以，我们选择是作为模拟/数字转换芯片。

2.3 温度控制电路设计

温控电路原理:从电压跟随器的同相输人端输入，的输出信号从放大器同相输入端输入。, 分压节点电位约为 ,接到的反相输人端。的电位差流经，输出信号从比较器反相输人端输入，同的输入电压比较。当温度较低时，值小，的电位差较小，输出高电压，导通，导通，此时电热器有电流流过。随着温度的上升，逐渐增大，电压值增大，因此的输出电压增大。当反相输人端电位比同相输入端电位高时，输出低电压，与均无法导通，电热器无电流流过，水的温度降低，降低，循环往复，达到保温的效果。调节使刚刚关断为止[4]。以后就不要再调了，除非另外设置温度。

温控电路如图2所示。

图2 温度控制电路

2.4 人机对话接口电路的设计

计算机测控系统通常都要有人机对话功能，以实现对系统的操作管理，这主要是通过外部输入输出设备来进行的。而良好的人机对话则是充分发挥控制系统功能的必要条件。人机对话的功能：操作员可以将数据输入到系统内部，主要是通过测控系统操作面板上的键盘来实现的；系统可以将运行结果与状态显示给操作员，主要是通过显示记录和报警等装置实现的。

2.5 输出控制电路设计

自动测控系统的工作过程为：通过传感器对受控对象进行实时数据的采集工作，将采集的数据通过转换器输入到单片机微处理器中进行一系列的控制运算，单片机的输出信号加到执行器或执行机构来对其进行控制，直接对被测量进行调整，以达到将被测量控制在设计范围内的目的。

在测控系统中，单片机最终要对控制对象实现控制操作的。控制输出是CPU实现控制运算处理后向执行器件发出控制信号，使输出电路状态发生改变，从而驱动执行机构动作的（见图3）。

3 结论

本温度控制系统以单片机为核心，整个系统由温度传感器、A/D转换器、键盘显示电路和输出控制等组成。通过一系列的控制，完成了对水温的实时控制，具有价格低、性能好等优点。

图3 控制系统图

[1]郑风阁．轮机自动化[M]．大连海事大学出版(第1版),1998．

[2]杨明永．轮机自动化[M]．人民交通出版社(第1版),1988．

[3]于海生．微型计算机控制技术[M]．清华大学出版社(第1版),1999．

[4]万福君．单片微机原理系统设计与应用[M]．中国科学技术大学出版社(第2版),2002．